СВЧ фильтры для базовых станций ВТСП

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт Петербургский государственный электротехнический университет

"ЛЭТИ" им. В.И.Ульянова (Ленина)

Кафедра МИТ

Реферат

на тему "СВЧ фильтры для базовых станций ВТСП"

Выполнил: Микрюков И.В.

Факультет: РТ

Группа: 0193

Преподаватель: Туральчук П.А.

Санкт-Петербург

2014 г.

Концепция создания систем третьего поколения IMT-2000 является одним из наиболее грандиозных проектов конца XX века. В ходе его реализации мобильный телефон превращается в персональный компьютерный коммуникатор, с помощью которого станут возможными высокоскоростной обмен информацией, глобальный роуминг и доступ к услугам мультимедиа.

Широкое использование телекоммуникационных технологий предъявляет все более жесткие требования к узлам и аппаратуре связи. И это не случайно. Чтобы обеспечить увеличивающееся число абонентов качественной и бесперебойной связью, необходимо, в силу ограниченности частотного ресурса, либо увеличить число сот, либо улучшить радиочастотные характеристики как цепей приемника (увеличить чувствительность и селективность), так и цепей передатчика радиотракта базовой приемопередающей станции (БС). Известно, что емкость (число каналов) и зона охвата приемником БС определяется, главным образом, мощностью абонентского терминала (АТ) и селективностью приемника на линии связи вверх (от АТ к БС) [2]. Селективность приемника БС может быть значительно улучшена путем использования эллиптических фильтров высшего порядка. Традиционные микрополосковые фильтры вносят большие потери в полосе пропускания полезного сигнала, проявляющиеся в ухудшении соотношения сигнал-шум (ОСШ) приемника и, следовательно, приводящие к снижению его чувствительности. Кроме того, обычные радиокомпоненты, работающие в частотном диапазоне 800…2000 МГц, не обеспечивают характеристик, требуемых для телекоммуникационных систем связи третьего поколения (f₀ = 2 ГГц, Df = 5 МГц, спад АЧХ -- 70 дБ/МГц, [1]). Сравнительная характеристика основных параметров традиционных и ВТСП полосовых фильтров приведена в табл. 1

Для кардинального решения задачи необходимо использовать технологию высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

Фильтры

Основные требования, предъявляемые к ВТСП-фильтрам при их использовании в мультиплексорах, в мобильных сотовых и спутниковых системах связи, могут быть сформулированы следующим образом [4]:

• центральная частота f₀ = 1…4 ГГц.;

• относительная ширина полосы частот:

• передаваемая мощность -- от 10 до 100 Вт;

• неравномерность АЧХ в полосе пропускания не менее 0,01 дБ.

Для полосового фильтра, полностью изготовленного на ВТСП-пленках, вносимые потери являются функцией поверхностного сопротивления пленки, тангенса угла диэлектрических потерь в подложке и соотношения мощности рассеяния в корпусе к мощности, запасенной в диэлектрике, которое зависит от конструкции фильтра. Однако в конечном счете вносимые потери определяются числом элементов фильтра и суммарным значением коэффициента передачи, которые задают полосу пропускания. Наибольшее преимущество использование ВТСП-пленок может обеспечить при создании фильтров с большим коэффициентом прямоугольности (узкая полоса пропускания, большое число звеньев и высокий коэффициент передачи).

Простейший для проектирования и изготовления тип фильтра представляет собой цепь связанных отрезков длинных линий. Длина каждого отрезка равна половине длины волны. В некоторых случаях с целью уменьшения габаритов линейные элементы фильтра изгибают, придавая им форму прямоугольной спирали. В качестве примера можно привести микрополосковый фильтр для приемного тракта системы мобильной связи, разработанный фирмой Matsushita [3]. Основные требования к фильтру -- малые вносимые потери и высокая крутизна частотной характеристики, обеспечивающие очень высокую чувствительность и избирательность. Данный фильтр состоит из четырех звеньев. Он изготовлен на Tl2Ba2Ca3Cu3O7-X-пленках толщиной 700 нм, осаждаемых на обе стороны LaAlO3-подложки толщиной 0,5 мм. Для формирования рисунка использован обычный фотолитографический процесс с последующим ионно-лучевым травлением. ВТСП-пленка на обратной стороне подложки служит для заземления. Частотные характеристики: вносимые потери при температуре 77 К - 0,4 дБ, обратные потери в полосе пропускания -- свыше - 10 дБ. Для сравнения, вносимые потери фильтра такой же конфигурации, в котором вместо ВТСП-пленки используется золото, составили 19 дБ (при 77 К), а его габариты вдвое больше.

Следующий пример 8-полюсный узкополосный фильтр, разработанный специалистами Denso Corporation (Japan) из YBa2Cu3O7-X-пленки на подложке из MgO [5]. Измеренная АЧХ представлена на рис. 1.

Центральная частота пропускания -- 1,95 ГГц. Полоса пропускания фильтра -- 5 МГц. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания -- не более 0,5 дБ, вносимые затухания -- около 0,35 дБ.

Фильтр [5] представляет собой цепочку из восьми связанных полуволновых резонаторов, имеющих переменный коэффициент связи: k = f(U), k = (2,5; 1.8; 1.6; 1.4)ґ10-3. Особенность этого фильтра заключается в том, что при ширине полосы пропускания Df = 2,5 % АЧХ фильтров для различных значений добротности Q (Q = 5000, 10 000, 100 000) незначительно отличаются друг от друга. Узость полосы пропускания и высокая добротность являются преимуществом использования ВТСП-фильтров. Однако при Df = 0,25 % АЧХ-фильтров отличаются друг от друга по величине затухания полезного сигнала в полосе прозрачности: при Q = 5000 затухание составляет -1,5 дБ, а при Q = 100 000 вносимые потери не превышают -0,2 дБ. Таким образом, для достижения высоких характеристик добротность фильтров должна иметь значение до 100 000, в то время как у традиционных фильтров эта величина ограничена несколькими тысячами. При реализации данной конфигурации разработчики столкнулись с проблемой выбора расположения резонаторов и величины перекрестных связей между ними. Поскольку максимально узкая полоса фильтрации сигнала обеспечивается при слабой связи между резонаторами, то такая связь в простейшем случае реализуется путем их пространственного разнесения. Разнесение резонаторов, приводящее к требуемой величине связи между ними, требует увеличения размеров пластины. Для устранения этого недостатка с одновременным сохранением величины межрезонаторной связи было использовано круговое размещение резонаторов.

Конструкция рассматриваемого фильтра [5] представляет собой планарную структуру -- диск MgO (er=9,85) диаметром 5,08 см и толщиной 0,5 мм, по периметру которого расположено восемь кольцевых резонаторов со щелью, толщина нанесенной пленки из YBCO-керамики -- 0,5 мкм. Углы между осями, проходящими через середину щели и центр пластины, различны и определяются коэффициентом связи между соседними резонаторами.

На рис. приведены АЧХ фильтра при его экранировании и без него [5]. АЧХ фильтра была снята при охлаждении до 70 К. Соединительные провода были откалиброваны при комнатной температуре, поэтому снижение потерь в кабеле при комнатной температуре и при 70 К было скорректировано в ходе эксперимента. При экранировании спад АЧХ на границе полосы пропускания составляет 0,8 МГц/30 дБ, а без него -- 0,7 МГц/30 дБ. Увеличение крутизны спада АЧХ при экранировании фильтра объясняется уменьшением паразитной связи между резонаторами.

Весьма привлекательно использование электрически перестраиваемых ВТСП-фильтров для применения их в адаптивных следящих приемниках БС. Изменяя величину внешнего магнитного поля, можно осуществлять перестройку в заданном частотном диапазоне.

Специалистами Лаборатории микроволновой электроники Санкт-Петербургского электротехнического университета был разработан такой перестраиваемый ВТСП-фильтр [7]. Особенность его конструкции состоит в практическом использовании такого физического явления, как спиновые волны. Известно, что спиновые волны распространяются в монокристаллах и эпитаксиальных пленках железоиттриевого граната (ЖИГ). Ферритовая эпитаксиальная пленка ЖИГ, выращенная на подложке галлий-гадолиниевого граната в форме трапеции, непосредственно прикладывается к пленочной топологии ВТСП-структуры. Для устранения отражения спиновых волн торцы структуры имеют скосы. Перестройка осуществлялась при изменении подмагничивающего поля. Небольшое изменение поля (на 700 Эр) смещает центральную частоту на 600 МГц (рис. 8) [7]. Подмагничивание осуществляется миниатюрными электромагнитами. Вектор напряженности магнитного поля направлен параллельно поверхности пленки.

Высокая чувствительность к перестройке параметров является перспективной для построения управляемых ВТСП-фильтров ЖИГ. АЧХ фильтра сняты с помощью панорамного измерителя КСВН и представлены на рис. Ограничение характеристик на уровне - 40 дБ является следствием несовершенства используемых КИП.

Поскольку передаточная характеристика фильтра относительно центральной частоты не уменьшается (с точностью 0,2 дБ) и составляет ±0,25 ГГц, то это позволяет использовать данный фильтр для работы в диапазоне перестройки 3G (1927,5…2157,5 МГц) систем связи [1, 7].

Для некоторых видов радиоэлектронной аппаратуры часто необходимы блоки согласованных полосовых фильтров, которые перекрывают весь заданный диапазон частот. Одним из примеров может служить мультиплексор в центральной станции мобильной связи. Четырехканальный блок фильтров на микрополосковых линиях включает два гибридных ответвителя и два одинаковых фильтра в каждом канале. Блок с центральной частотой 4 ГГц изготовлен напылением YBa2Cu3O7-X-пленки на LaAlO3-подложку толщиной 5 мм.

Максимальная неравномерность характеристики в полосе пропускания составляет всего 0,1 %, а ширина полосы пропускания каждого элемента -- 50 МГц [3].

Тип перестраиваемого фильтра, настройка которого осуществляется путем изменения емкости конденсатора (варактора), был также разработан в Санкт-Петербурге. Трехполюсный фильтр с центральной частотой 2 ГГц обладает 1 %-й полосой пропускания и коэффициентом перекрытия диапазона, равным 2 [9]. На рис. представлена структурная схема данного фильтра. При изменении емкости конденсатора от 1,2 до 0,6 пФ происходит сдвиг центральной частоты [9]. Перестраиваемый конденсатор подключался между двумя участками микрополосковых линий L1=2 мм и L2= 12,95 мм.

На рис. представлен рисунок топологии фильтра при его размещении на двух дюймовой сапфировой подложке.

На рис. представлена АЧХ перестраиваемого фильтра при различных значениях емкости регулировочного конденсатора С: С1=1,2 пФ; С2=0,84 пФ; С3=0,6 пФ [9].

Все вышеописанные конструкции фильтров являлись исследовательскими и изготавливались в количестве не более трех экземпляров. Промышленный образец фильтра, выпускаемый серийно фирмой Superconductor Technologies Inc., представлен на рис. [11].

Блоки фильтров D и E соответствуют частотным диапазонам сотовой связи PCS в США: 1865…1870 и 1885…1890 МГц соответственно. Каждый фильтр представляет собой цепочку из восьми связанных резонаторов, расположенных на MgO-подложке толщиной 0,5 мм. Измеренная

АЧХ блока дуплексных фильтров представлена на рис.

полосовой фильтр мультиплексор

В рабочей полосе частот передатчика базовой станции данный фильтр ослабляет сигнал более чем на 80 дБ

Размещено на Allbest.ru